引言：科技发展的一个重要方向就是增强人类，包括对健康人的能力增强和对伤残病人的能力补偿。其中，对于瘫痪病人的感知觉补偿是一个很有前景的研究方向，人们尝试通过模拟人类的视听触觉在神经系统中产生的电信号来绕过损坏的神经系统在病人大脑中重现人类自己的感觉结果，从而可以利用多种传感器来模拟人类的感知觉器官，帮助人们恢复已经失去的感知功能。但是，如何能够准确模拟触觉功能，目前科学界尚没有成熟的解决方案。
【基本信息】
论文标题：Tactile edges and motion via patterned microstimulation of the human somatosensory cortex
发表期刊：Science
发表时间：2025年1月16日
【访问链接】
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq5978
【研究背景】
触觉作为人类感知物理世界的重要途径，在日常生活中有着无可替代的地位。人类的皮肤表面覆盖了非常多的触觉感受器，可以感知温度、湿度、压力等多种外部信息，也可以通过结合这些信息来感受人类接触到的物体表面的形状和纹理，从而帮助人们更好地识别所接触的外部世界。
触觉的基础是对本体的感知，如对四肢相对位置和身体空间位置的自我感知，由本体感受器介导。本体感受器是专门的机械感觉神经元，传达肌肉、肌腱、皮肤和关节等所经历的拉伸和张力的信息。
触觉的基本过程是覆盖在皮肤表面的感受器通过外部刺激（温度、压力等）而产生不同的神经电信号，通过人类的神经系统传递到大脑的相应区域，从而进行分析和推理来判断这部分肢体所接触到外界物体的信息。
但是，因疾病、外伤等导致神经系统受损的病人，由于相关的神经通路损坏，大多存在感知觉与运动功能障碍，比如截瘫患者，且根据受伤的部位不同，所影响的肢体部位不同。
高位截瘫的患者往往连手部的感知和运动功能都会大部分丧失，从而导致生活极度困难。
受限于医疗技术的发展，尚没有成熟的解决方案可以帮助截瘫患者重建损伤的神经系统。常规的康复治疗和训练能够在一定程度上帮助患者重新建立神经系统连接，恢复一定的感知觉，但是恢复的程度十分有限且因人而异。
因此，科学界一直在尝试研究人类的触觉产生过程和在大脑皮层的体现方式，并试图通过外部传感器获得环境的信号来绕过人体自身的感受器官，直接在大脑皮层产生相应的感知觉电信号，从而实现人类触觉的电子化，一般人们称这种传感系统为电子皮肤，主要的作用就是模拟皮肤的功能。
【科学问题】
在电子皮肤这类研究中，重现人类触觉对外部物体纹理的感知过程是难度最大的。因为人类在触摸物体表面时，能够通过皮肤表面传来的微弱信号进行十分精细的纹理和局部几何特征识别。
盲人等无法通过视觉来感知世界的特殊人群在这方面的能力更强，可以借助拐杖等物品精确感知地面的情况，也可以通过快速抚摸物体对表面来实现对盲文的精确识别。
但是，想要借助设备来实现复杂的触觉感知过程，还需要对大脑皮层中触觉感知区域的机理进行深度研究。
因此，科学家们尝试通过电刺激的方式来将触觉传感获得的电信号在对应的脑区进行合理刺激，从而让大脑能够精确“感知”到复杂的几何触觉信息。
前期研究表明，对体感皮层进行皮层内微刺激（ICMS）会引发触觉，其特性可通过改变刺激参数进行系统调控。然而，目前 ICMS 提供的触觉并不完善，限制了手部的灵巧性和触觉体验。
该论文的作者基于对初级体感皮层（S1）中触觉特征编码方式的理解，尝试通过大脑皮层的电极刺激让瘫痪者重建触觉感知系统，从而感知到皮肤表面物体的局部几何形状和明显运动，让机械手臂充当患者自己的手臂来重塑手部的精细触感。
【核心思路】
来自美国芝加哥大学等的合作团队研究了（大脑）皮层内微刺激（Intracortical Microstimulation, ICMS）在编码触觉几何特征和运动感知方面的潜力，证明了可通过多电极刺激大脑皮层内的Brodmann area 1（BA1区）来引发复杂触觉体验的思路，为瘫痪病人恢复自然的触觉功能（包括体感功能）提供了新的可能。
研究团队利用多电极ICMS（Multielectrode Intracortical Microstimulation, mICMS）创建的重叠投射场（Projected Fields, PFs）可叠加的特性来创造具有特定形状的复合PFs，并通过时间程序化的 mICMS 来重塑皮肤上的运动感知过程。
主要的创新研究思路如下：
空间图案化 ICMS 唤起触觉形状感知：特定电极组合可唤起边缘感，受试者能辨别边缘方向，刺激时长影响方向识别，幅度无影响。受试者可识别多种形状，刺激参数调制可模拟曲率，多电极组合能唤起复杂物体感知，且实验结果与自然触觉相似。
时空图案化 ICMS 唤起触觉运动感知：按特定时序刺激相邻 PFs 可使受试者感知运动并辨别方向，刺激时长影响方向判断，幅度无影响。调整刺激相对时序可控制运动感知连续性，电压场塑形（VFS）编码策略可同时区分位置、强度和运动方向，受试者能辨别运动速度，且顺序激活 PFs 更利于复杂形状识别。
ICMS 在仿生手臂控制中的应用：受试者可利用 ICMS 产生的触觉反馈，实时控制仿生手臂应对运动扰动，且在不同认知负荷下均能完成任务。
【实验结果】
研究团队在2名颈椎脊髓损伤的患者身上进行了实验，在他们的 BA1 手部代表区植入微电极阵列。通过多电极 ICMS（mICMS）产生空间图案化的投射场（PFs），研究不同刺激参数和模式对触觉感知的影响，包括边缘、形状、运动等，并在仿生手臂实时功能任务中测试其效果。
实验中，作者识别了具有空间对齐PFs的三电极组合，并假设这些组合会引发边缘感知。受试者在不知道实验目的前提下，自发感觉并报告实验中感受到的具有特定方向和形状的边缘触感。
论文进一步测试了 ICMS 的持续时间和幅度对方向识别的影响，发现增加持续时间提高了方向识别能力，而幅度对可辨性没有影响。此外，实验还测试了受试者对任意方向和简单形状的识别能力，实验结果表明受试者能够正确识别“手指末端”感受到的多种形状。
该论文还研究了ICMS引发的触觉运动感知，通过刺激具有相邻PFs的电极以特定时间顺序形成连续的皮质轨迹，受试者能够区分四个运动方向。
此外，该论文还研究了顺序与同步 mICMS 用于编码复杂的触觉形状，并成功实现了患者脑控仿生机械臂的闭环控制过程，患者可以感受到机械臂控制车辆方向盘时的转动方向，并施加相应的控制指令改变方向盘的动作。
论文的实验视频：
综上，针对大脑皮层的多电极刺激能唤起瘫痪患者连贯的触觉感知功能，可帮助患者重建手部的自然精细触觉功能。但是，目前的技术还存在激活神经元缺乏特异性等问题。未来的研究中，作者提出还需同步记录神经活动优化刺激方案，改进传感器和施加刺激的硬件设备，以提升仿生手的性能，最终帮助病人恢复自然的触觉功能。
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